電連接器熱設計

張民民

摘要：應用電連接器的電力連接系統(tǒng)，連接器是為兩個導體界面提供連續(xù)可靠的電流通路的基本元件。目前，隨著應用設備的功率越來越大，電連接器正向高電壓、大電流方向發(fā)展，主流大電流連接器采用12mm以上大直徑接觸件以實現穩(wěn)定的電流連接。

當前大電流連接器面臨的主要問題是高額定電流和溫升。而低電壓中溫升又是影響產品載荷容量和可靠性的關鍵。連接器的溫升是由工作時接觸體發(fā)熱帶來，因此決定連接器溫升的因素主要是接觸電阻與機械結構。

連接器應具有低而穩(wěn)定的接觸電阻來保證接觸區(qū)溫升在材料允許的溫度范圍內。機械結構一方面為連接器提供可靠的接觸條件，另一方面不同結構尺寸影響電連接器整體散熱效果。

本文根據熱力學公式對接觸體的最大電流值及電連接器整體溫升值進行分析，通過定量的方法實現電流計算及溫升值計算，并采用實際試驗方式驗證計算結果。

為了降低溫升的影響，提高連接器載流量，本文整理提出大電流電連接器設計注意事項。

關鍵詞：電連接器;大電流;熱設計;溫升;最大工作電流

1 引言

由于接觸體連接端存在接觸電阻、接線端存在壓接電阻，當電連接器傳輸電流時，將會產生熱量，內部溫度會隨之上升下降或劇烈變化，并對其結構性能和使用壽命產生影響。高溫使絕緣材料結構發(fā)生變化，產生化學分解，絕緣性能變壞;使接觸體材料的機械性能劣化，導致應力松弛和鍍層破壞，在接觸區(qū)形成絕緣薄膜，接觸電阻增大，并反過來進一步加劇溫升;過高的溫度使密封材料失效，導致電連接器防護性能下降。同時，外部環(huán)境溫度影響電連接器的散熱效果。電連接器的溫升正是電負荷和環(huán)境條件的綜合作用結果。

2接觸體最大工作電流

受電阻影響，接觸體通過電流時會產生熱量，接觸體周圍空氣受熱產生對流會散發(fā)導體產生的熱量，當產生的熱量與散發(fā)的熱量達到平衡時，導體的溫度就會固定，此時，接觸體的溫度與環(huán)境溫度之差就是接觸體溫升值，接觸體通過的電流值就是在此環(huán)境溫度下接觸體的工作電流。

當接觸體溫度達到本身材料或絕緣材料的熔點時，此時通過的電流就是接觸體所能承載的極限電流。接觸體實際使用的銅合金熔點遠大于絕緣材料熔點，因此，當接觸體溫度達到絕緣材料所能承受的極限時的電流值，就是接觸體的最大工作電流。

2.1 數學模型

根據能量守恒定率，接觸體生成熱功率等于散熱功率，即：φ生=φ散。依據電工學基本公式：φ生=I2R;依據熱力學牛頓公式：φ散=Kzh×S×△t。

聯立公式：I2R=Kzh×S×△t，得出計算電流公式：I=

上述公式中：I載流容量（A）;Kzh空氣對流散熱系數S;散熱表面積（注意是表面積，不是截面積）（m2）;△t溫升（℃）;R接觸電阻（Ω）;Kzh 取值范圍：空氣自然對流5～25，氣體強制對流20～100，正常室內條件，Kzh 取值18.3。

2.2 求解計算

以8#針孔為例，計算最大工作電流，取值結果如下：S 1800mm2，

△t 105℃（室溫20℃，高溫125℃，△t=125-20=105℃），R 0.56mΩ代入公式得I=63.8A。

需要指出的是，計算結果是未送入電連接器的單獨接觸體。送入產品后，受絕緣體傳熱及殼體散熱影響，最大工作電流小于63.8A。

2.3 小結

通過公式（4），降低電流強度和接觸電阻、提高散熱面積、選擇散熱系數高的材料均可以達到減少發(fā)熱量的目的，既在產品設計時應注意：

（a） 減少接觸體直徑的突變，防止出現電流集束效應，增大接觸電阻;

（b）在結構尺寸允許的情況下，適當加大接觸體直徑和長度，增大其散熱面積;

（c）公式（5）可以推導出：△t= ? ? ? ，可以看出，隨著電流的增加，發(fā)熱量迅速增大，溫度升高越來越快。這也是大電流接觸體多采用插針內置漲環(huán)、插孔收口端外套彈簧（彈簧箍結構）、冠簧等結構，避免銅材受熱產生應力松馳;

（d）多點接觸結構或加大接觸正壓力，均為減小接觸電阻，具有更多的傳熱點，其更適用于大電流環(huán)境。

相同溫度、插針直徑及適配導線，測試扭簧孔、開瓣彈簧箍結構及48點接觸簧片式結構接觸體，按GB/T 5095.3 方法5a進行溫升試驗，試驗結果見圖1。

試驗結果可以證實上述推斷。

3電連接器溫升

上面討論的是單獨接觸體的電流和溫升，而在實際使用時，考慮安裝方式、安全等因素，接觸體均需送入電連接器內使用。電連接器外殼隔離了接觸體熱點與空氣的直接接觸，降低了接觸體熱點散熱效果。電連接器的外部熱源、大氣條件、電連接器本身散熱條件的好壞，如表面顏色、有無冷卻手段等，都是影響電連接器散熱效果的因素。

連接器溫升是指在某一特定溫度下，在接觸體上施加額定電壓與額定電流而發(fā)熱并達到平衡時，其內部最熱點溫度與環(huán)境溫度之差。電連接器的溫升可以通過計算和試驗來確定。

3.1 數學模型

依據熱力學熱傳導、熱對流、熱輻射理論，整理出電連接器最熱點溫度計算公式：

上述公式中：Tc 最熱點溫度（℃）;q? 發(fā)熱功率（以環(huán)境溫度20℃計算） q=I2Rn[1+α（Tc-20）] （W）;Ts 連接器外表面溫度? Ts=Ta+? ? ? ? ? （℃）;l連接器長度（m）;k? 絕緣體材料熱導率（w/

m·℃）;I? 單根接觸體載流量（A）;R? 20℃時接觸電阻（Ω）;n? 接觸體數量;

α 電阻溫度系數（1/℃）;Ta 環(huán)境溫度（℃）;d? 連接器外圓直徑（m）;h? 連接器表面對流傳熱系數和輻射傳熱系數之和（w/m2·℃）。

查閱HB5874-1986《飛機插頭座插針插孔一般技術要求》、NF F61-030《鐵路車輛——電氣連接器—技術規(guī)范》，壓接電阻基本上是接觸電阻的1/10或更小，因此計算取值時按接觸電阻。

將公式變形可得：

公式中未考慮封線體與導線對散熱的影響，電連接器加裝封線體后，其內部環(huán)境相對密閉，增加了傳熱難度，導線延伸出電連接器外部，相當于增加了散熱面積，有利于散熱。

因此，計算結果僅為近似的估算，同時建議參數選取不利于散熱的邊界條件，如此可保證產品設計符合使用條件。

3.2 求解計算

以8芯電連接器為例，計算最大工作電流，取值代入公式（9）后，I=53A

取安全系數0.8，電連接器額定工作電流53×0.85=42.4A

計算結果接近產品標準規(guī)定的額定電流46A。

以額定電流46A、接觸電阻0.56mΩ、環(huán)境溫度20℃計算電連接器溫升，將數據代入公式：Tc=57℃? △t=57-20=37℃

計算結果滿足產品標準規(guī)定的溫升不超過55K要求。

3.3 試驗測試結果

取8芯電連接器1套，接觸體壓接16mm2導線，送入后將所有孔位串聯，通以額定電流，當電連接器內部溫度穩(wěn)定后，逐步增加電流值，直至溫度超過電連接器承受能力。通額定電流時，溫升計算結果37℃、試驗結果33℃，兩者相近。

3.4 小結

（a） 通過公式可以看出，降低電連接器和接觸體溫升的方法相同。（b） 電連接器熱設計應驗算：接觸體的工作電流是否大于導線的安全工作電流;電連接器允許的最高溫度條件下，其工作電流是否大于規(guī)定的額定電流;以額定電流核算其溫升值是否符合規(guī)定。

4 總結

本文主要從熱平衡角度推導、計算接觸體、電連接器的最大工作電流、溫升值。通過實際計算與試驗測試，二者結果相近，且計算結果更接近設計期望值，說明計算方法可以用于電連接器的熱設計。

參考文獻：

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